車身焊裝線柔性化技術的應用與思考

黃 誠

（東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005）

引言

“十二五計劃”DFLZM 乘用車銷量實現了從 10萬臺/年到25萬臺/年的增長，“十三五計劃”2020年邁上60萬臺/年的臺階，車型從單一大中型MPV發展到大中小型MPV、SUV、轎車、純電動車等4個平臺10多個車型系列。

銷量增長和車型多樣化的強勁需求，給了我們發展焊裝柔性化技術的時機和動力，從2012年C線到2014年B1線、2015年D線、2016年B2線、2017年CD線，柔性化始終都是建線的基本原則，持續改善，日臻成熟。

1 推進柔性化的策略

兩個途徑推進車身焊裝線柔性化：一是產品平臺化，立足解決平臺內車型的工藝工裝共用；二是工藝工裝柔性化，立足解決平臺之間車型的工藝工裝共用或切換。

1.1 產品平臺化

平臺化是汽車產品開發設計的主流，外資和合資品牌做得十分到位。DFLZM采取的是搶占小眾市場的產品開發戰略，是典型的多品種小批量生產模式。為了降低工藝開發的難度，工藝對產品提出適度的平臺化要求，形成白車身設計結構工藝性的企業標準。

案例：滿足多車型共線生產的工序定位統一要求

1）C平臺焊裝線工序定位統一（適用于C、D平臺及其拓展車型），見圖1。

圖1

2）B1平臺焊裝線工序定位統一（適用于B1、B2平臺及其拓展車型），見圖2。

圖2

新開發車型的定位須遵守(注：標準陳述有誤，在按本文描述修正中)：

①沿用以上所有定位孔、定位面；

②未沿用的定位孔和定位面，應以下順序選擇：1、保持與原定位孔和定位面的X向、Z向坐標一致；2、保持與原定位孔和定位面的Y向、Z向坐標一致；3、保持與原定位孔和定位面的X向、Y向坐標一致；4、保持與原定位孔和定位面的X、Y、Z的其中一向坐標一致；5、與原定位孔和定位面的X、Y、Z向坐標錯開一定距離。但具體方案必須經過尺寸工程師和焊裝工程師確認。

3）實施效果：

①解決了B1、B2、C、D各焊裝線平臺內車型的前倉線、地板線、主線、補焊線、門蓋裝調線的工序定位共用，奠定最基本的共線條件；

②為B1和B2線、C和D線之間的車型換線提供可行性，以應對某一線體產能不足時具備快速分流到另一條線生產的選擇。

類似的平臺化標準還有：五門一蓋鉸鏈安裝定位統一、滑橇定位統一、側圍/頂橫梁預裝搭扣統一、側圍/頂蓋涂膠統一等要求。

1.2 工藝工裝柔性化

從三個方面思考工藝工裝柔性化。

1）相同工藝在同一工位適用于不同車型。

案例：B1線MB130工位滿足B1平臺BX3、S50、S500車型和B2平臺BX5車型共線生產的頂蓋上件/點定工藝。見圖3

圖3

工藝過程：

一級機器人抓手從料框抓取頂蓋（粗定位）→頂蓋放到對中臺→二級抓手從對中臺抓取頂蓋（精定位）→頂蓋涂點焊膠→頂蓋放到夾具中→機器人焊接

①共用工藝：一級機器人抓手從料框抓取頂蓋、頂蓋放到對中臺、二級抓手從對中臺抓取頂蓋、頂蓋放到夾具中、機器人焊接

②共用工裝：機器人、一級抓手、頂蓋料框、對中臺、頂蓋夾具、焊鉗

③優點：工藝布局緊湊，節省場地；工裝共用率高，節省投資；

④缺點：上料口集中于一點，作業面小，對于頂蓋（or車架/or側圍）這樣的大件往往存在線邊物料或分件焊接場地不足的問題。線體規劃時做了線邊物流核算，增加 MB140過渡工位以加寬上料口。

類似的案例很多，如：各線體總拼工位、總拼預裝工位、地板焊點補焊工位、門洞焊點補焊工位等等，是工藝柔性化的主要思路。

2）相同工藝在不同工位適用于不同車型。

圖4

案例：D線MB020/MB030工位。MB020用于D平臺的F600車型中門踏板上件/點定，MB030用于D平臺的F600L、CM7車型中門踏板上件/點定。見圖4：

工藝過程：

滑橇輸送下車體到工位→人工裝中門踏板到夾具中→人工焊接

①共用工藝：人工裝件、人工焊接

共用工裝：工序定位夾具、焊鉗 （夾具、焊鉗結構相同但分置于2個工位）

②專用工藝：中門踏板夾具MCP定位策略

專用工裝：中門踏板夾具

③優點：簡化工裝結構，降低設計/制造難度，改善可靠性/操作性，共用定員；

缺點：增加場地和投資；對后續車型難于預判兼容性，解決思路是要掌握商品企劃的車型拓展需求，一般1個平臺車型要規劃有2個工位以應對X向改型，Y向改型則通過夾具柔性化設計解決。

類似的案例還有，C地板線前倉上件/點定工位、D地板線前輪罩/前圍上件/點定工位、CD線裙邊上件/點定工位等，是兼顧產品多樣化需求的必要的工藝妥協。

3）不同車型設專用工藝段或分線，共用主要工藝段或主焊線。

案例：CD線MB370～MB420工位（圖中紅框），用于C平臺的菱智長/短車型頂橫梁和頂蓋上件/點定/補焊（D車直接通過）。見圖5

圖5

原因：菱智是上世紀90年代老車型，頂蓋與側圍通過中間件——流水槽連接，焊接空間狹窄、搭邊呈曲面變化，不適于自動化裝夾、焊接，如與 D車型共用頂蓋自動化上件/焊接工藝風險很大。

優點：規避技術風險，實現C、D兩個平臺車型共線生產，達到減員降耗最終目的。

缺點：①場地和投資效率低；②各車型定員不同，切換生產時增加轉崗時間。

類似的案例還有，CD線分設C車型專用C地板線、D車型專用D地板線，CD側圍線設C車型專用SB005L/R工位等，都是規避工藝/產品改造風險的安全的經濟的選擇。

2 柔性化的應用效益

2.1 焊裝線柔性化指標實績

表中B1、B2、CD線是目前在用的3條焊裝線。

1）總產能≥60萬臺/年，共線基礎車型已實施11個，預留 2個，拓展車型原則不限數量，產能和品種滿足 2020年商品企劃需求。

表1

2）自動化率和工位共用率實績反映自動化和柔性化技術處于行內中等偏上水平。

3）各線JPH不同，是線體產能依商品綱領而規劃和提升的結果。不盲目追求高節拍，追求經濟性。

4）單位JPH能耗、用工、投資反映線體的經濟性。

2.2 從一條焊裝線的變遷可以看到線體經濟性隨柔性化的提高而向好

表2

C、D線原本分別位于城東、城西兩個基地，為完成商品企劃產量，C線開雙班/天，D線開單班/天，兩線生產充實度低，能源、人力效率低下。

CD線是將C線工裝設備，搬遷改造融合到D線中，提升JPH和自動化率，形成5車型共線生產提高生產充實度，獲得很好的減人節能降成本收益，按2018年產量計算僅焊裝就節省人力成本350萬元/年、能耗成本70萬元/年。

3 焊裝線柔性化技術的具體形式

C線、B1線、B2線、D線、CD線在柔性化技術的應用上存在較強的延續性，但也不乏技術的完善、提升。

3.1 總拼柔性化技術

5條線均采用預裝后總拼工藝，四面體夾具庫，滑行切換形式，總拼工位焊接機器人8～11臺，最大節拍48JPH，換型時間≤120秒/次。

優點：夾具剛性好，車身精度高，符合本企業倡導質量優先的理念。

缺點：夾具空間緊湊，焊鉗通道受限，焊接效率低，單臺機器人最多可打12點。

3.2 預裝柔性化技術

5條線均采用搭扣預裝工藝，在車身鈑金上設有搭扣和搭扣孔。其中C線、B2線采用人工裝夾側圍，原因是廠房空間限制搬運機器人布置；其它 3線采用機器人自動抓/放側圍，自動扳緊搭扣。

優點：實現無人化作業，省人降成本。

缺點：脫扣故障率偏高（0.2%）。

鈑金搭扣要設置合理，1）能抵抗側圍重力滑落和Y向膨脹；2）扣孔方向與搭扣進入方向平行；3）扣孔與搭扣間隙合理，既要方便搭扣進入又要能夠扣緊。

3.3 頂蓋柔性化技術

1）C線采用PICK UP吊裝頂蓋，人工裝夾，C平臺CM3B、CM3LA兩車型共用，合并CD線沿用。缺點是耗人，屬于落后、淘汰工藝。

2）其它4線均采用機器人抓/放/焊頂蓋工藝，見本文案例：頂蓋上件/點定工藝。

優點：實現無人化作業，省人降成本。

3.4 頂蓋激光焊接技術

B2線率先采用頂蓋激光釬焊工藝，獲得成功，隨后 B1線也增加了頂蓋激光釬焊工藝，用于SX5車型，未來新車型均采用激光焊接工藝。

優點：工藝/產品總體成本減少，品質提升。

3.5 側圍線柔性化技術

1）早先在C、D線采用臥式四面體夾具庫，旋轉切換形式，見圖 6。左、右側圍線并排布置，共用搬運機器人和部分焊接機器人。

圖6

共線車型4個，最大節拍35JPH（RB 取/放件30秒，RB焊接50秒，人工裝件22秒）單工位換型時間≤90秒/次。

優點：占地面積小，一序左右兩側（下同）占地約9米×20米。

缺點：取/放件、焊接、裝件不能同時進行，空間影響搬運、焊接，節拍上限難以突破。

2）B1線采用轉臺+十字滑臺+A/B夾具的九位六庫工藝，見圖7。

圖7

左右兩側為6個夾具庫，可存放3個車型6套夾具；上端為轉臺，一個焊接位，一個取件位，可布置 4臺焊接RB，1臺搬運RB；下端為人工裝件位，夾具通過滑臺走位/切換。共線車型4個，最大節拍48JPH（RB取/放件24秒，RB焊接64秒，人工裝件25秒），單工位換型時間≤120秒/次。

優點：取/放件、焊接、裝件可同時進行，節拍高，作業舒適度改善。

缺點：占地面積大，一序左右兩側占地約 18米×40米。

3）B2線受廠房面積限制，采用單十字滑臺的四位兩庫工藝，見圖8。

圖8

上面為2個夾具庫，可存放2個車型2套夾具；下面左邊為裝件位，右邊為焊接位（也是取件位），可布置5臺焊接RB，1臺搬運RB；夾具通過滑臺走位/切換。共線車型2個，最大節拍35JPH（RB取15秒，RB焊接41秒，人工裝件22秒），單工位換型時間≤120秒/次。

優點：布局緊湊，便于機器人立體布置，占地少（13米×15米）。

缺點：取/放件、焊接、裝件不能同時進行，節拍上限難以突破。

4）CD線融合項目，C車型側圍比D車型多焊點114個，零件11個，為此，增加一序外板總成工位與原四面體線銜接，采用轉臺+十字滑臺的五位兩庫工藝，見圖9。

圖9

右側為2個夾具庫，存放1個車型2套A/B夾具；中間為轉臺，一個取件位，一個焊接位，可布置4臺焊接RB，1臺搬運 RB；左側為人工裝件位；夾具通過滑臺走位/切換。共線車型2個，最大節拍37.5JPH（RB取件15秒，RB焊接75秒，人工裝件50秒），單工位換型時間≤180秒/次。

優點：①布局緊湊，便于機器人立體布置，占地少（18米×20米）。

②取/放件、焊接、裝件時間充裕，作業舒適度好，節拍空間大。

缺點：共線車型少，如增加車型，需要采取停線人工更換夾具的方式。

4 柔性化遇到的問題

4.1 產品差異化的柔性化難題

C、D車型差異化在于前述頂蓋、側圍、下車體結構差異，一些工序找不到理想的工藝工裝共用方案，實踐對策是不同車型設專用工位、工藝段或分線。

B車型差異化在于前倉、側圍結構差異，2014年B1線一期采用SX3、S50專用人工前倉線和人工側圍線的方式解決；2015年改造自動化側圍線、2017年改造自動化前倉線，采用換車型換夾具的方式解決。

4.2 焊點差異化的柔性化難題

焊點差異化是普遍性問題，具體表現為焊點數量差異、焊接空間差異、焊接方向差異、鈑件材質和層數差異，影響焊點可打性，造成焊接無法實現或焊接質量下降。

對于焊點數量、空間、方向差異的對策是運用ROBCAD、DELMIA等軟件把焊接模擬做實做細，基于模擬結果和協調節拍進行焊點分配。

對于鈑件材質和層數差異的對策是運用 SORPAS軟件進行焊接參數模擬選用，制定焊接參數導入焊裝線的業務基準，規范焊接參數輸入、試片驗證、焊點鑿檢等一系列過程控制。

4.3 柔性化造成線體產能、效率瓶頸

該問題是選用不恰當柔性化方案造成，例如：

D側圍線采用四面體柔性化形式，左右共用機器人搬運、焊接，相當于機器人要以整車節拍的2倍節拍運行，而四面體的布局特點就是空間小，機器人干涉區多，節拍上不去。

實踐對策是按目標節拍確定機器人抓/取件時間和軌跡，然后清理線邊控制柜、水氣管、抓手存放架等空間，優先滿足機器人，最終達成35JPH。

類似B2線四位兩庫這樣取/放件、焊接、裝件不能同時進行的工藝，節拍難以突破35JPH，選用需謹慎。

4.4 柔性化對設備故障率指標的影響

增加車型，導致線體車型識別/通訊的軟/硬件成倍增加，如果調試不到位勢必影響初期生產的設備故障率。圖 10是B1線增加S500車型和CD線增加CM3B/CM3LA車型初期生產的設備故障率走勢圖，可以看到投產第1月設備故障率分別高達18.6%和24.34%；對CD線第1月故障分類統計，諸如工件感知、切換夾具/抓手等與車型共用相關的故障占26.3%，B1線還要稍高一些。

圖10

實踐對策是①對發生故障的感應器、線纜插頭按規定測距調整或按《安裝標準》連接后涂膠加固；②制定《電氣安裝標準》和《預驗收檢查標準》來規范電氣元器設計、選型、安裝、調試和驗收的標準化點檢。

5 關于焊裝線柔性化技術的后續思考

5.1 DFLZM源源不斷地推出新車型

自然也需要源源不斷地提升焊裝線產能，是在現有焊裝線上繼續提升柔性化還是建立新的焊裝線？

從技術角度評估，焊裝線柔性化的基礎是產品平臺化，雖然我們也有將C、D兩個不同平臺合線生產的經驗，但它們的工藝流程和DST是相近的。如果是現有車型的衍生車型理應共線，如果是新車型平臺則應結合新平臺商品規劃來規劃新焊裝線。

從經濟角度評估，本文2.1給出了B1、B2、CD三條線的單位JPH車型投資、單位JPH能耗、單位JPH用工數。如果新車型滿足：①總綱領不超過焊裝線產能；②焊裝線3項指標變好，應考慮共線生產；反之則應考慮建設新線。

5.2 建設怎樣的新線？

當前業內有這樣一個共識：焊裝線適應的車型越多，柔性越好；而工裝設備越復雜，價格越高，經濟性不好；柔性與經濟性之間需要一個平衡點。

DFLZM主張：以滿足商品企劃需求為前提，建設性價比最好的焊裝線，保持技術先進性同時避免盲目求大求洋，也就是“標桿焊裝線”概念。

這樣的焊裝線應在共線車型數量、產品結構要求、質量/節拍/自動化率目標、物流、投資預算等諸方面按DFLZM量身定制，在柔性化、自動化、智能化方面與行業標桿差距不大，具備以下柔性化特征：

1）共線車型：不限

① 在線生產車型4個，單工位切換時間≤120秒/臺

② 各柔性化工位具備停線切換第5、第6…種車型的接口，單工位切換時間≤1h。

2）生產線節拍：凈輸出40～45JPH，理由

①涂裝車間節拍 45JPH，焊裝線節拍過快會造成生產堵塞。

②45JPH支持2個12萬臺/年（或3個8萬臺/年）綱領平臺車型的中長期商品計劃需求，符合DFLZM的愿景目標。

3）工序定位

① 地板線及下車體補焊線采用 NC locator，滿足不同平臺車型的地板和下車體定位需求。

② 主線可以采用機械切換的方式，但需要產品設計遵守約定的焊裝線生產要件。

4）總拼工位

采用 OPEN GATE，其夾具合拼原理與現用的四面體總拼形式一樣，對鈑金件精度要求相對較低，車身焊接穩定性較好；而比四面體優越的是OPEN GATE可以保持4~6車型在線切換，理論上又可以停線切換無限車型。

5）側圍預裝工位

沿用現有的自動化預裝技術，側圍抓手存放支架需改進為可活動式，以進行停線切換車型抓手。

6）頂蓋工位

①頂蓋上件/點定沿用現有的自動化上件/點定技術，二級抓手存放支架需改進為可活動式，以進行停線切換車型抓手。

②頂蓋補焊可根據產品結構選擇點焊、激光釬焊或同時保留2種工藝，以適應不同級別的車型需求，激光焊夾具存放支架需改進為可活動式，以進行停線切換車型夾具。

7）涂膠工藝

普及機器人自動化涂膠，引進分段涂膠和噴射涂膠適應各種工件姿態和工藝要求。

8）主線輸送

采用工位間行走節拍≤6秒的高速滑橇 + 伺服電機驅動滾床，提高輸送節拍和精度，以提供多的焊接時間，應對各車型焊點差異大的情況。

9）主線工位數

按照基準車型車身焊接流程樹圖規劃上件、定位焊、補焊、激光焊、涂膠/弧焊/螺柱焊、輪罩包邊、檢查、在線檢測、緩沖、臨時上/下線以及下線等工位，并依據線體節拍和開動率核算工位數足夠。在此基礎上再策劃其它共線車型的預留，與產品設計/規劃部門就車型衍生的平臺化、模塊化、通用化、標準化規則進行約定。

上件/點定工位：

①Y向改型通常都可以通過夾具柔性化設計解決，不需要預留工位；

②X向改型理論上也可以通過夾具柔性化設計解決，但夾具要做到二級滑移或旋轉機構，剛性較差，所以X向改型應采取切換夾具解決?？梢罁A具存放和共線車型的上件數量、上件方式、尺寸大小的物流空間計算需要預留的工位數。

補焊工位：

如有模型可以通過模型計算改型車與基準車的焊點比例，沒有模型則依據經驗推算改型車與基準車的焊點比例。對比各補焊工位機器人的基準車焊接負荷度核算機器人裕量是否滿足改型車的工藝預留，通常機器人調試優化后的負荷度在80～100%之間，全線平均負荷度90%。

平均負荷度=∑RB（焊接+上/下件+輸送+開/夾）時間/（RB數×節拍）

就全線而言，平均負荷度超過 90%應在適當位置增加預留補焊工位；就單工位而言，出現負荷度超過100%時才需要考慮為這臺機器人轉移焊點，沒有合適替代者則新增機器人或工位。

總之，關于工位數應盡量一次規劃分次實施，避免后續增加車型時改造量很大。

6 結束語

DFLZM焊裝技術的發展是全面的，也包含自動化、智能化、四新技術方面的發展，本文限于篇幅就此略過。

推動焊裝技術發展要從兩個方面看問題。一方面，焊裝技術發展得益于產品生產經營發展創造了需求的空間和投資的后盾，脫離商品需求的柔性化、自動化、智能化、四新技術不會轉化為實際生產力，只會造成投資浪費，必須以商品企劃需求為前提進行焊裝技術進步的策劃和建設，避免盲目求大求洋；另一方面，市場競爭激烈，生產力也是競爭力，新產品開發周期短，包括焊裝在內的工藝需要同步開發，必要的前瞻性策劃和建設才能達到未雨綢繆的效果。兩者之間的平衡點就是DFLZM對“標桿焊裝線”的定義，我們應盡快完成“標桿焊裝線”關于柔性化、自動化、智能化、四新技術的全面定義，并以此為生產要件與產品規劃、設計展開互動，推進產品、工藝同步開發，共同進步。

[1] 楊帆.白車身焊裝線柔性化的合理規劃.弗戈工業在線.2013.7.11.

[2] 黃誠,何贊清等. QLQB Y-16-2016白車身設計通用工藝規范.（東風柳汽企標）.2016/3.